JP2014236611A - 交流回転機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間運転による温度変化などにより変動する交流回転機の電機子抵抗について、回転動作中であっても安定に抵抗値を推定でき、抵抗変動による速度推定誤差を抑制し、また、交流回転機の駆動性能を低下させることのない交流回転機の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】電圧指令ベクトルと検出電流ベクトルと推定抵抗値とに基づいて推定速度と推定電流ベクトルとを演算出力する速度観測手段５、および検出電流ベクトルと推定速度と推定電流ベクトルとに基づいて推定抵抗値を演算出力する抵抗観測手段６を備え、速度観測手段５および抵抗観測手段６は、適応オブザーバを使用した演算で設定するオブザーバゲインを含む、それぞれの演算における伝達関数が安定であるための必要条件が成立する状態で、それぞれ推定速度および推定抵抗値を演算出力する。【選択図】図１

Description

この発明は、交流回転機の回転速度や回転子位置を、速度センサや位置センサを用いることなく得ることができる交流回転機の制御装置に関するものである。

同期機や誘導機といった交流回転機の制御装置において、回転機を所望の出力や回転数で回転させるため、通常は速度センサや位置センサを用いて行う。しかし、これらのセンサは、耐故障性やメンテナンスの面で不利となるため、これらのセンサを用いることなく、交流回転機の磁極位置や回転速度を検出する方法が知られている。
これらの方法は、電機子抵抗、インダクタンス、誘起電圧定数といった回転機定数に基づいて数学的に演算して検出するもので、あらかじめ制御装置内に回転機定数を設定しておくことで、磁極位置や回転速度を検出することができる。

ところが、電機子抵抗の設定値に誤差があると、磁極位置や回転速度の演算に誤差が発生するという問題がある。特に低速では、出力電圧に占める電機子抵抗による電圧降下の割合が増えるため、電機子抵抗の設定値の誤差による影響が著しくなり、磁極位置や回転速度の検出値の誤差によって制御の安定性が低下する。
また、特に、容量が小さく電機子抵抗が大きい回転機の場合に顕著であるが、長時間運転による回転機内の温度上昇で電機子抵抗値が上昇し、運転開始時に設定した電機子抵抗定数との誤差が大きくなり、磁極位置や回転速度の検出値の誤差によって制御の安定性が低下する。

以上のように、センサレスで回転速度や回転子位置を得る場合には、電機子抵抗の抵抗値を高い精度で推定出来ることが必要となる。

これに関し、例えば、特許文献１は、運転開始時において、磁束オブザーバ（適応オブザーバ）を使用した演算により求まる推定電流値と検出電流値との偏差から抵抗値を推定する方法を開示している。
しかし、この特許文献１の場合、長時間運転による温度上昇で推定抵抗値の誤差が大きくなるという問題がある。

これに対し、例えば、非特許文献１は、運転中逐次、適応オブザーバで推定速度、従って回転子位置を求め、その際、解析演算の安定性確保の観点から、オブザーバゲインＨを設定しており、同じゲインの適応オブザーバにより抵抗値も推定し、この推定抵抗値も使用して速度、位置を推定することも可能と考えられる。

特許第４２３８６５２号公報

「回転座標上の適応オブザーバを用いたＰＭ電動機の位置センサレス制御」電学論Ｄ、１２３巻５号、２００３年

ところで、非特許文献１では、適応オブザーバを使用した推定速度の解析演算における安定性を確保するためのオブザーバゲインＨを求めている。
このため、詳しくは後述するが、ポポフの超安定理論に基づき、該当する制御回路の入出力間の伝達関数が強正実である、即ち、入出力間の位相差の絶対値がすべての周波数に対して９０度以下になるという条件を満たすようオブザーバゲインＨを設定している。

しかるに、このオブザーバゲインＨを用いて抵抗値を推定演算する場合の伝達関数は、回転速度により強正実性が満たされないときがあり、運転中の安定した抵抗推定が出来ないという問題がある。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、長期間運転による温度変化などにより変動する交流回転機の電機子抵抗について、回転動作中であっても安定に抵抗値を推定でき、抵抗変動による速度推定誤差を抑制し、また、交流回転機の駆動性能を低下させることのない交流回転機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る交流回転機の制御装置は、制御系上位からの指令に基づき電圧指令を生成する制御手段、電圧指令に基づき交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段、交流回転機の電流を検出し検出電流を出力する電流検出手段、電圧指令と検出電流と交流回転機の推定抵抗値とに基づき適応オブザーバを使用して交流回転機の推定速度を演算出力する速度観測手段、および検出電流と推定速度とに基づき推定抵抗値を演算出力する抵抗観測手段を備えた交流回転機の制御装置において、速度観測手段および抵抗観測手段は、適応オブザーバを使用した演算で設定するオブザーバゲインを含む、それぞれの演算における伝達関数が安定であるための必要条件が成立する状態で、それぞれ推定速度および推定抵抗値を演算出力するようにしたものである。

以上のように、この発明に係る交流回転機の制御装置では、その速度観測手段により推定速度を演算出力する動作、また、その抵抗観測手段により推定抵抗値を演算出力する動作が、適応オブザーバを使用した演算で設定するオブザーバゲインを含む、それぞれの演算における伝達関数が安定であるための必要条件が成立する状態で行われるので、長期間運転による温度変化などにより変動する交流回転機の電機子抵抗について、回転動作中であっても安定に抵抗値を推定でき、抵抗変動による速度推定誤差を抑制することが出来る。

この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の構成を示す図である。 適応オブザーバを使用した推定速度の演算で設定するオブザーバゲインＨを含む伝達関数のボード線図である。 適応オブザーバを使用して推定抵抗値を演算する場合のオブザーバゲインＨを含む伝達関数のボード線図である。 図１の制御手段３の内部構成を示す図である。 図１の速度観測手段５の内部構成を示す図である。 図５の状態観測部５３の内部構成を示す図である。 図１の抵抗観測手段６の内部構成を示す図である。 この発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の構成を示す図である。 図８の抵抗観測手段８の内部構成を示す図である。 推定抵抗値を演算する場合のオブザーバゲインとして定数値に設定したものを示す。 図１０に示すオブザーバゲインを含む伝達関数のボード線図である。 推定抵抗値を演算する場合のオブザーバゲインＨ２として速度に応じて変更するゲインに設定したものを示す。 図１２に示すオブザーバゲインＨ２を含む伝達関数のボード線図である。 図９の推定抵抗演算部８８の内部構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の構成を示す図である。
交流回転機１は、同期電動機であって、ここでは、永久磁石を用いた同期機である。
交流回転機１には、交流回転機１の電流ベクトルを検出する電流検出手段としての電流ベクトル検出手段２と、電圧を印加するインバータ等の電力変換器が相当する電圧印加手段４が接続されている。

電流ベクトル検出手段２は、交流回転機１の三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出し、座標変換器２１において、後述する速度観測手段５からの推定磁極位置を用いて、交流回転機１の回転子に同期して回転する直交座標として公知であるｄｑ軸上の電流に座標変換し、これを検出電流ベクトル（ｉｄｓ、ｉｑｓ）として出力する。
なお、三相電流を検出するには、電流を三相とも検出するほか、２相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を求めてもよいし、インバータ母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態から三相電流を演算してもよい。

制御手段３は、図４にその内部構成を示すように、加減算器３１により、外部の制御系上位から与えられる電流指令ベクトル（ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆ）から検出電流ベクトル（ｉｄｓ、ｉｑｓ）をそれぞれ減算する。電流制御器３２では、加減算器３１の出力である電流指令ベクトルと検出電流ベクトルとの偏差が無くなるように、比例積分制御により電圧指令ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）を出力する。
座標変換器３３では、推定磁極位置θ０を使って電圧指令ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）をｄｑ軸から静止座標の三相電圧指令ベクトル（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）に変換し出力する。

電圧印加手段４は、制御手段３から出力される三相電圧指令ベクトルに基づいて、交流回転機１に電圧を印加する。

速度観測手段５は、適応オブザーバを使用した演算により、三相電圧指令ベクトルと検出電流ベクトルと、後述する抵抗観測手段６が出力する推定抵抗値とを用いて、推定速度および推定磁極位置を演算する。

なお、適応オブザーバを使用して交流回転機の内部状態を推定演算する手法は、前掲の特許文献１や非特許文献１に限らず周知であるが、後段の説明の理解を容易とするためもあり、ここで、先ず、適応オブザーバを用いて交流回転機の内部状態を推定する原理について説明する。

始めに、適応オブザーバを用いた回転機の回転速度を推定する方法について説明し、次に、電機子抵抗値を推定する方法について説明する。
制御する対象の交流回転機を永久磁石を用いた同期機とすると、その制御に用いられるαβ軸上における状態方程式は、式（１）〜（３）で表すことができる。
ここでは、αβ軸上の電圧指令ベクトルを（Ｖα、Ｖβ）、電機子反作用ベクトルを（φαｓ、φβｓ）、回転子磁束ベクトルを（φαｒ、φβｒ）、電流ベクトルを（ｉα、ｉβ）と定義し、Ｒは電機子抵抗、Ｌは電機子インダクタンス、ωｒは回転子の回転速度を表す。

式（１）〜（３）から適応オブザーバを用いて交流回転機の内部状態を推定する状態方程式を式（４）〜（６）で定義できる。

ここで、推定速度ωｒ０に回転速度ωｒからの誤差が現れた場合を考える。速度誤差を、Δω＝ωｒ０−ωｒとおくと、式（４）から式（１）を減算することで式（７）を導出することができる。

式（７）は、すなわち推定回転子磁束Φｒ０に直交する成分（−ΔωＪΦｒ０）が伝達関数Ｇ（ｓ）に入力され、電流偏差ベクトル（ｉα０−ｉα、ｉβ０−ｉβ）が出力されることを示している。また、オブザーバゲインＨのｈ１１〜ｈ４２は、推定速度が安定して演算できるように決定する。例えば、非特許文献１の図５に示されるゲインｈ１〜ｈ４を、ｈ１１＝ｈ２２＝ｈ１、−ｈ１２＝ｈ２１＝ｈ２、ｈ３１＝ｈ４２＝ｈ３、−ｈ３２＝ｈ４１＝ｈ４と置き換えてゲインを設定すれば、安定して速度が推定できるオブザーバを設計することができる。

また、推定速度は、比例定数ｋｐω、積分定数ｋｉωを用いて式（８）のような比例積分制御で演算できる。

次に、適応オブザーバを用いて抵抗値を推定する方法について説明する。
式（１）〜（３）から適応オブザーバを用いて交流回転機の電機子抵抗値を推定する式は、式（９）、（１０）で定義することができる。ここでは、簡単のため速度推定値に誤差Δωが現れない定常状態であるとして、ωｒ０＝ωｒとしている。

抵抗値の変動による誤差をΔＲ＝Ｒ０―Ｒとおくと、式（９）から式（１）を減算することで式（１１）を導出することができる。

式（１１）は、すなわち推定電流Ｉｓ０方向の成分（ΔＲ＊Ｉｓ０）が伝達関数Ｇ（ｓ）に入力され、電流偏差ベクトル（ｉα０−ｉα、ｉβ０−ｉβ）が出力されることを示している。

また、推定抵抗値Ｒ０は、比例定数ｋｐＲ、積分定数ｋｉＲを用いて式（１２）のような比例積分制御で演算できる。

以上のように、適応オブザーバを用いて内部状態を推定し、速度推定は、式（８）により、推定回転子磁束Φｒ０に直交する成分を、また、抵抗推定は、式（１２）により、推定電流Ｉｓ０方向の成分をそれぞれ利用して比例積分制御にて推定演算を行う。

ところで、上記のように、電機子抵抗を推定演算する方法で用いられる推定電流値は、推定速度を安定的に求めるように設計されたオブザーバから演算される。すなわち、式（７）に示す電流偏差ベクトル（ｉ０−ｉ）からΔωへの伝達関数Ｇ（ｓ）が不安定とならないようにオブザーバゲインを設計する必要がある。

この伝達関数Ｇ（ｓ）が安定であるための必要条件は、この伝達関数Ｇ（ｓ）を有する線形定常ブロックと非線形時変ブロックとからなるフィードバック制御系の安定判別法であるポポフの超安定論に基づき、この線形定常ブロックである伝達関数Ｇ（ｓ）が強正実である、すなわち、伝達関数Ｇ（ｓ）の入出力間の位相差の絶対値がすべての周波数に対して９０度以下になることである。

ここで、先の非特許文献１のオブザーバゲインを例に取り、推定速度演算の伝達関数を考える。推定速度の演算は、回転子磁束に直交する成分の伝達関数を考えればよいことから、非特許文献１の（１８）式に示された伝達特性を考えればよい。

図２は、ある同期回転機における推定速度演算における伝達関数のボード線図を示す。図２中では、０Ｈｚ、３２Ｈｚ、１２８Ｈｚで回転している時の伝達関数を図示しており、上段はゲイン線図、下段は位相線図である。
図２の伝達関数の位相差の変動に着目すると、位相の変動は±９０度以内に収まっており、すなわち、この伝達関数を持つ推定速度演算は安定に動作することがわかる。また、速度を変動させた場合においても、位相の変動が±９０度以内であることから、速度によらず安定的に速度を推定することができる。

次に、上記のオブザーバを用いて抵抗推定演算の伝達関数を考える。抵抗推定の演算は、推定電流と同軸方向に現れるから、式（１３）の伝達関数を考えればよい。

式（１３）の伝達関数ＧＲ（ｓ）について、行列式の１行目の伝達特性を考えると図３に示すような伝達特性を示す。図３によれば、ωｒ＝０の停止状態においては、位相変動は９０度以内で安定動作する。しかし、ωｒ≠０の場合、伝達特性の位相の変動が±９０度を超えている。すなわち、ωｒ≠０の回転中は抵抗推定の伝達関数ＧＲ（ｓ）が強正実ではなくなり、固定子推定電流を用いた抵抗推定が不安定化し、推定抵抗値に誤差が出たり、発散したりする可能性がある。

そこで、この発明の実施の形態１では、推定速度の演算に使用する推定抵抗値として、その伝達関数が安定であるための必要条件が満たされる状態で演算された値のみを使用することで、実質的に、速度観測手段および抵抗観測手段が、共に安定した状態で、それぞれ推定速度および推定抵抗値を演算出力することができるようにしたものである。

以下、その内部構成を示す図５を参照して速度観測手段５の説明を続ける。
速度推定の演算は、前述した式（４）〜（８）に示すようにして、交流回転機１の内部状態である電流ベクトルと回転子磁束ベクトルを推定演算し、推定電流ベクトルと検出電流ベクトルの偏差と推定磁束ベクトルから推定速度を演算することができる。

本実施の形態１では、ｄｑ軸上においてシステムを構成するため、式（１４）〜（１８）を用いて推定速度ωｒ０を演算する速度観測手段５を構成する。

速度観測手段５の動作について、その構成図である図５を用いて説明する。
図において、加減算器５１は、後述する状態観測部５３の出力である推定電流ベクトル（ｉｄｓ０、ｉｑｓ０）から検出電流ベクトル（ｉｄｓ、ｉｑｓ）を減算し、電流偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２）を出力する。座標変換器５２は、制御手段３の出力である三相電圧指令ベクトル（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）を直交回転座標であるｄｑ軸の電圧指令ベクトル（ｖｄｓ、ｖｑｓ）に変換する。

状態観測部５３は、電圧指令ベクトル（ｖｄｓ、ｖｑｓ）と電流偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２）と、後述する抵抗観測手段６が出力する推定抵抗値Ｒ０とから交流回転機１の推定速度ωｒ０と交流回転機１の推定電流ベクトル（ｉｄｓ０、ｉｑｓ０）とを演算する。積分器５４は、推定速度ωｒ０を積分して推定磁極位置θ０を出力する。
なお、電圧指令ベクトル（ｖｄｓ、ｖｑｓ）は、制御手段３の電流制御器３２の出力（ｖｄ、ｖｑ）と同値であるから、（ｖｄｓ、ｖｑｓ）＝（ｖｄ、ｖｑ）として座標変換器５２を省略することもできる。

次に、状態観測部５３の動作について、その内部構成図である図６を用いて説明する。
行列演算器５３１は、電圧指令ベクトル（ｖｄｓ、ｖｑｓ）^Ｔに行列Ｂを乗算した結果を出力する。なお、Ｔは転置行列を表す。行列演算器５３２は、電流偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２）^Ｔに行列Ｈを乗算した結果を出力する。なお、行列演算器５３２に入力される推定速度ωｒ０は、行列Ｈ１の作成に使用するものである。

行列演算器５３３は、電機子反作用ベクトルの推定値および磁束ベクトルの推定値（φｄｓ０、φｑｓ０、φｄｒ０、φｑｒ０）^Ｔに行列Ａω１を乗算した結果を出力する。
なお、行列演算器５３３に入力される推定速度ωｒ０および推定抵抗値Ｒ０は、行列Ａω１の作成に使用するものである（式（１７）参照）。

加減算器５３４は、行列演算器５３１の出力と行列演算器５３２の出力と行列演算器５３３の出力とを加減算したベクトルを出力する。積分器５３５は、加減算器５３４が出力するベクトルを各要素毎に積分し、ベクトル（φｄｓ０、φｑｓ０、φｄｒ０、φｑｒ０）^Ｔとして出力する。
以上が、式（１４）に相当する部分である。なお、式（１４）の左辺は積分器５３５の入力部分に相当する。

行列演算器５３６は、行列Ｃ１をベクトル（φｄｓ０、φｑｓ０、φｄｒ０、φｑｒ０）^Ｔに乗算することで、推定電流ベクトル（ｉｄｓ０、ｉｑｓ０）^Ｔを出力する。この部分は式（１５）に相当する。
行列演算器５３７は、行列Ｃ２をベクトル（φｄｓ０、φｑｓ０、φｄｒ０、φｑｒ０）^Ｔに乗算することで、推定磁束ベクトルΦｒ０（φｄｒ０、φｑｒ０）^Ｔを出力する。この部分は式（１６）に相当する。
速度推定器５３８は、式（１８）により推定速度ωｒ０を出力する。

以上のようにして、速度観測手段５は、電圧指令ベクトルと検出電流ベクトルと、後述する抵抗観測手段６が出力する推定抵抗値とを用いて、推定速度および推定磁極位置とを演算出力する。
なお、オブザーバゲインＨ１の各ゲインｈ１_１１〜ｈ１_４２は、例えば、特許第４６７２２３６号の第９図に記載されているように推定速度ωｒ０によって各ゲインの値を変更するように設定することができる。

次に、抵抗観測手段６について説明する。前述したとおり、速度観測手段５の出力する推定電流値を用いた抵抗推定では、図３に示すように、停止状態以外は、その伝達関数が安定であるための必要条件が成立しない、すなわち、抵抗推定演算の安定性が保証されず、回転中に抵抗の推定値に誤差が発生したり、推定値が発散したりする。
そこで、本実施の形態１では、抵抗推定演算に更新判定部を設け、安定性が保証されない速度領域においては、抵抗推定演算を停止して新たな推定値を出力しないことで、回転動作中でも安定して抵抗値を推定できるようにする。

図７は、本実施の形態１における抵抗観測手段６の内部構成図である。以下、抵抗観測手段６の動作について図に基づいて説明する。
加減算器６１は、速度観測手段５からの推定電流ベクトル（ｉｄｓ０、ｉｑｓ０）から検出電流ベクトル（ｉｄｓ、ｉｑｓ）を減算し、電流偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２）を出力する。これは、加減算器５１の動作と同等である。
乗算器６２は、後述する更新判定部６４が出力する更新判定信号ｓｉｇを、入力である電流ベクトル偏差（ｅ１、ｅ２）の各要素に乗算して出力する。
推定抵抗演算部６３は、更新判定信号ｓｉｇを乗算した電流偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２）と、推定電流ベクトル（ｉｄｓ０、ｉｑｓ０）とから、式（１９）に示すように、比例積分制御により推定抵抗値Ｒ０を演算して出力する。

更新判定部６４は、入力された推定速度ωｒ０を基づき、抵抗推定演算を行うかどうか、すなわち、抵抗推定の演算における伝達関数が安定であるための必要条件の成立不成立を判定し、更新判定信号ｓｉｇを出力する。

先述の通り、推定速度ωｒ≠０の場合、速度観測手段５によって演算される推定電流ベクトルを用いての抵抗推定演算は、安定性が保証されない。そこで、速度によって式（２０）のように、更新判定信号ｓｉｇを変更することにより、抵抗推定演算の出力の更新を制御する。

更新判定部６４は、安定性が確保され推定抵抗の演算を行う場合はｓｉｇ＝１、安定性が確保されず演算を止める場合はｓｉｇ＝０を出力する。これにより、乗算器６２からは、演算を行う、すなわち、ｓｉｇ＝１の場合は、電流偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２）がそのまま出力され、演算を行わない、すなわち、ｓｉｇ＝０の場合は、（０、０）が出力される。

式（１９）より、電流偏差ベクトルがゼロベクトルの場合は、比例積分の内部状態が変化せず、抵抗推定演算が停止するのと等価な状態であり、それ以前に演算されていた値を更新することなく継続して出力することになる。

以上説明したように、この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の更新判定部６４は、抵抗推定の演算が安定に演算できない速度領域においては、推定抵抗の演算更新を停止させる結果、速度観測手段５および抵抗観測手段６は、交流回転機１が回転動作中であっても、共に安定した状態で、それぞれ推定速度および推定抵抗値を演算出力することができる。

なお、以上の説明では、図３に例示した伝達関数の特性に応じて、式（２０）に示すとおり、ωｒ０＝０のときｓｉｇ＝１、ωｒ０≠０のときｓｉｇ＝０としたが、仮にその伝達関数の特性によって、一定の速度範囲で安定性が得られる場合には、当該速度範囲ではｓｉｇ＝１、それ以外の速度ではｓｉｇ＝０とすればよい。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、交流回転機１の運転状態に拘わらず推定抵抗値の演算が不安定動作しないように抵抗観測手段６を動作させることができるが、抵抗推定演算によって、推定抵抗値を更新できるのは回転機の停止時のみにとどまる。従って、回転機運転開始後の温度上昇による電機子抵抗の変動も、推定速度の演算への反映は回転機の停止時毎になされるにとどまる。
そこで、この発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置では、回転機の運転状態に拘わらず、常に、安定して抵抗推定値の演算が可能となる抵抗観測手段を提供するものである。

図８は、この発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の構成を示す図である。なお、本実施の形態２における速度観測手段７は、実施の形態１における速度観測手段５の出力のうち、推定電流ベクトルを出力しないことを除いて、状態観測部５３を備えた速度観測手段５と同様の構成である。また、抵抗観測手段８以外は、実施の形態１の場合と同様であり、以下、この抵抗観測手段８を中心に説明する。

先ず、先の実施の形態１において、回転動作時に抵抗推定が不安定化する要因について説明する。
式（１３）において抵抗推定を演算する場合の伝達関数を示した。ここで、交流回転機によって、ｓ＊Ｉ４、ＡＲ、Ｃは固定されているから、伝達関数を変更するには、Ｈのフィードバックゲインを変更する必要がある。ここで、図３に示したボード線図にかかるフィードバックゲインは、推定速度を安定して求めるために設定したものであり、抵抗を推定するために最適なゲインではない。
そこで、本実施の形態２では、抵抗を推定するために最適なフィードバックゲインを設定した適応オブザーバを作成し、速度によって不安定化しない推定抵抗値の演算ができるようにする。

推定抵抗値の演算のための適応オブザーバは、ｄｑ軸上において、交流回転機の内部状態を推定する観測器を構成すると、式（２１）〜（２４）のように定義できる。なお、式（１２）から推定抵抗値の演算には、電機子反作用のみを扱えばよく、回転子磁束は考慮不要であるので、推定電流ベクトルを演算すれば足り、式（２１）、（２２）では、行列式の第３、４行目の計算は省略している。

次に、抵抗観測手段８の動作について、その内部構成図である図９を用いて説明する。抵抗観測手段８は、式（２１）〜（２４）を演算するために以下の構成をとる。
加減算器８１は、抵抗推定での推定電流ベクトル（Ｒｉｄｓ０、Ｒｉｑｓ０）から検出電流ベクトル（ｉｄｓ、ｉｑｓ）を減算し、電流偏差ベクトル（ｅ３、ｅ４）を出力する。行列演算器８２は、電流偏差ベクトル（ｅ３、ｅ４）^Ｔに行列Ｈ２を乗算した結果を出力する。なお、行列演算器８２に入力される推定速度ωｒ０は、後述するように、行列Ｈ２の作成に使用するものである。

オブザーバゲインＨ２の設計は、例えば、図１０に示すように、各ゲインを定数で設計すると、図１１のボード線図に示されるように、速度によっては位相差が±９０度を超えて不安定状態となることがあるため、図１２に示すように、速度に応じてゲイン値を変更するオブザーバゲインとすることで、図１３に示すように、速度に拘わらず位相差が±９０度を超えない安定な伝達関数を設計することができる。

行列演算器８３は、電機子反作用ベクトルの推定値（Ｒφｄｓ０、Ｒφｑｓ０）^Ｔに行列ＡＲを乗算した結果を出力する。なお、行列演算器８３に入力される推定速度ωｒ０および推定抵抗値Ｒ０は、行列ＡＲの作成に使用するものである（式（２３）参照）。
行列演算器８４は、推定速度ωｒ０に、ベクトル（０、φｆ）^Ｔを乗算した結果を出力する。

加減算器８５は、電圧指令ベクトル（ｖｄｓ、ｖｑｓ）^Ｔと行列演算器８２の出力と行列演算器８３の出力と行列演算器８４の出力とを加減算したベクトルを出力する。
積分器８６は、加減算器８５の出力するベクトルを各要素毎に積分し、ベクトル（Ｒφｄｓ０、Ｒφｑｓ０）^Ｔを出力する。以上が、式（２１）に相当する部分である。なお、式（２１）の左辺は、積分器８６の入力部分に相当する。

行列演算器８７は、行列Ｃ３をベクトル（Ｒφｄｓ０、Ｒφｑｓ０）^Ｔに乗算することで、推定電流ベクトル（Ｒｉｄｓ０、Ｒｉｑｓ０）^Ｔを出力する。この部分は、式（２２）に相当する。
推定抵抗演算部８８は、推定電流ベクトル（Ｒｉｄｓ０、Ｒｉｑｓ０）と、電流偏差ベクトル（ｅ３、ｅ４）と推定速度ωｒ０とから推定抵抗値Ｒ０を演算する。

以下、推定抵抗演算部８８の動作をその内部構成図である図１４を用いて説明する。
推定抵抗演算部８８は、電流偏差ベクトル（ｅ３、ｅ４）と推定電流ベクトル（Ｒｉｄｓ０、Ｒｉｑｓ０）とから式（２４）で推定抵抗値Ｒ０を演算する推定抵抗演算器８８１と、推定した抵抗値を真値として速度観測手段７に返すかどうかを判別する更新判定器８８２とを備えている。

ここで、更新判定器８８２の動作について説明する。
本実施の形態２の抵抗観測手段８の動作内容を示す式（２１）〜（２４）は、推定速度が定常的に一致することを前提としている。速度急変が発生すると応答速度の影響から、推定速度に過渡的に誤差が発生する場合においては、誤差（ｅ３、ｅ４）は、式（２５）で示すように、ΔωとΔＲとの合成で発生する。すなわち、誤差（ｅ３、ｅ４）を入力として推定抵抗値の演算を行うとΔωの分だけ誤差が発生する。先にも述べたように抵抗値に誤差が発生する場合、駆動性能が低下する。

そこで、更新判定器８８２は、速度が急変する前の推定抵抗値を記憶しておき、速度急変時には推定抵抗演算器８８１の出力から、記憶しておいた推定抵抗値に出力を切り替え、速度急変時に誤差が含む推定抵抗値を速度観測手段７に出力しないようにする。

推定速度ωｒ０に基づき推定加速度を演算し、この推定加速度に所定の閾値ａｃｃｅｌｌｉｍを設定し、推定加速度が当該閾値を超えた段階で、速度観測手段７に出力する推定抵抗値Ｒ０の値を１サンプリング前の値でホールドする。

具体的には、現在のサンプリング時点での推定速度をωｒ０［ｎ］、更新判定器８８２の出力をＲｏｕｔ［ｎ］、１サンプリング前の推定速度をωｒ０［ｎ−１］、更新判定器８８２の出力をＲｏｕｔ［ｎ−１］、更新判定器８８２の入力をＲｉｎと置き、式（２６）の条件で推定抵抗値Ｒ０を更新する。

なお、これらの動作において、推定速度ωｒ０は、速度指令に置き換えることもできる。また、ここで設定する加速度の閾値ａｃｃｅｌｌｉｍは、事前に実機やシミュレーション等で試行試験を行い、抵抗値の誤差によって回転機の駆動性能が低下しない加速範囲を決定すればよい。

以上において、交流回転機の動作中に抵抗が変動するのは温度変化によるものであると考えてよい。また、抵抗値が急変動するような温度の急変化は、ほぼ起きないと考えてよいため、回転機動作中の抵抗値の変動は緩やかに起こると考えてよい。そのため、抵抗観測手段８は、演算の周期を下げても、緩やかに変化する抵抗値は十分推定することができる。よって、抵抗観測手段８を制御装置に実装するにあたり、演算負荷によってマイコン等の演算処理装置を高性能化しなければならないなどの制約はない。

以上説明したように、この発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の抵抗観測手段８は、その推定抵抗値の演算における伝達関数に安定性が確保されるよう、速度観測手段７とは異なるオブザーバゲインＨ２を用いて推定電流を演算し、これをもとに抵抗値を推定することで、回転動作中であっても常に安定して抵抗値を演算することができる。

また、急加速時に推定速度に過渡的に誤差が生じ、推定抵抗の演算に誤差が生じる場合には、更新判定器８８２により、推定抵抗値の更新を停止することで、抵抗誤差によって駆動性能が低下することを防ぐことができる。

なお、この実施の形態２では、先の実施の形態１と異なり、速度観測手段７および抵抗観測手段８では、いずれも適応オブザーバを使用したそれぞれの推定演算は常に安定性が確保されているので、速度変化に伴う推定抵抗値の多少の誤差発生による影響がわずかであれば、推定抵抗演算部８８から更新判定器８８２を除いて、推定抵抗演算器８８１からの推定抵抗値Ｒ０を常に出力するようにしてもよい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、永久磁石モータや同期リラクタンスモータといった、交流回転機の回転子および固定子に突極性を有する交流回転機の回転子位置を、位置センサを用いることなく得ることができる交流回転機の制御装置に関するもので、その駆動性能を低下させる要因である抵抗値の変動を推定することで駆動性能を向上させ、交流回転機の制御に広く利用することができる。

１ 交流回転機、２ 電流ベクトル検出手段、３ 制御手段、４ 電圧印加手段、
５，７ 速度観測手段、６，８ 抵抗観測手段、５３ 状態観測部、
６３，８８ 推定抵抗演算部、６４ 更新判定部、８８１ 推定抵抗演算器、
８８２ 更新判定器。

Claims (4)

1. 制御系上位からの指令に基づき電圧指令を生成する制御手段、前記電圧指令に基づき交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段、前記交流回転機の電流を検出し検出電流を出力する電流検出手段、前記電圧指令と前記検出電流と前記交流回転機の推定抵抗値とに基づき適応オブザーバを使用して前記交流回転機の推定速度を演算出力する速度観測手段、および前記検出電流と前記推定速度とに基づき前記推定抵抗値を演算出力する抵抗観測手段を備えた交流回転機の制御装置において、
   前記速度観測手段および前記抵抗観測手段は、前記適応オブザーバを使用した演算で設定するオブザーバゲインを含む、それぞれの演算における伝達関数が安定であるための必要条件が成立する状態で、それぞれ前記推定速度および前記推定抵抗値を演算出力するようにしたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
2. 前記速度観測手段は、前記電圧指令と前記検出電流と前記推定抵抗値とに基づき第一オブザーバゲインに設定した適応オブザーバを使用して前記推定速度と推定電流とを演算出力するものとし、
   前記抵抗観測手段は、前記検出電流と前記速度観測手段で演算された前記推定電流とに基づき前記推定抵抗値を演算する推定抵抗演算部、および前記推定速度に基づき前記必要条件の成立不成立を判定し、前記必要条件が成立するときのみ前記推定抵抗演算部の出力を更新する更新判定部を備えたことを特徴とする請求項１記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記速度観測手段は、前記電圧指令と前記検出電流と前記推定抵抗値とに基づき第一オブザーバゲインに設定した適応オブザーバを使用して前記推定速度を演算出力するものとし、
   前記抵抗観測手段は、前記電圧指令と前記検出電流と前記推定速度とに基づき第二オブザーバゲインに設定した適応オブザーバを使用して前記推定抵抗値を演算出力することを特徴とする請求項１記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記抵抗観測手段は、前記推定速度に基づき推定加速度を演算し、前記推定加速度が所定の設定値以下のときのみ前記推定抵抗値の出力を更新する更新判定器を備えたことを特徴とする請求項３記載の交流回転機の制御装置。

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